如何在Java中实现布隆过滤器？

什么是布隆过滤器

布隆过滤器（Bloom Filter）是1970年由布隆提出来的。 它实际上是由一个很长的二进制数组 一系列hash算法映射函数，用于判断一个元素是否存在于集合中。
布隆过滤器可以用于检索一个元素是否在一个集合中。它的优点是空间效率和查询时间都比一般的算法要好的多，缺点是有一定的误识别率和删除困难。

场景

假设有10亿条手机号，然后判断某条手机号是否在列表内？

mysql可以吗？

正常情况下，如果数据量不大，我们可以考虑使用mysql存储。将所有数据存储到数据库，然后每次去库里查询判断是否存在。但是如果数据量太大，超过千万，mysql查询效率是很低的，特别消耗性能。

HashSet可以吗？

我们可以把数据放入HashSet中，利用HashSet天然的去重性，查询只需要调用contains方法即可，但是hashset是存放在内存中的，数据量过大内存直接oom了。

布隆过滤器特点

• 插入和查询效率高，占用空间少，但是返回的结果是不确定的。

• 一个元素如果判断为存在的时候，它不一定真的存在。但是如果判断一个元素不存在，那么它一定是不存在的。

• 布隆过滤器可以添加元素，但是一定不能删除元素，会导致误判率增加。

布隆过滤器原理

布隆过滤器其实就是是一个BIT数组，通过一系列hash算法映射出对应的hash,然后将hash对应的数组下标位置改为1。查询时就是对数据在进行一系列hash算法得到下标，从BIT数组里取数据如如果是1 则说明数据有可能存在，如果是0 说明一定不存在

为什么会有误差率

我们知道布隆过滤器其实是对数据做hash,那么不管用什么算法，都有可能两条不同的数据生成的hash确是相同的，也就是我们常说的hash冲突。

首先插入一条数据： 好好学技术

在插入一条数据：

这是如果查询一条数据，假设他的hash下标已经标为1了，那么布隆过滤器就会认为他存在

常见使用场景

缓存穿透

java实现布隆过滤器

package com.fandf.test.redis;

import java.util.BitSet;

/**
 * java布隆过滤器
 *
 * @author fandongfeng
 */
public class MyBloomFilter {

    /**
     * 位数组大小
     */
    private static final int DEFAULT_SIZE = 2 << 24;

    /**
     * 通过这个数组创建多个Hash函数
     */
    private static final int[] SEEDS = new int[]{4, 8, 16, 32, 64, 128, 256};

    /**
     * 初始化位数组，数组中的元素只能是 0 或者 1
     */
    private final BitSet bits = new BitSet(DEFAULT_SIZE);

    /**
     * Hash函数数组
     */
    private final MyHash[] myHashes = new MyHash[SEEDS.length];

    /**
     * 初始化多个包含 Hash 函数的类数组，每个类中的 Hash 函数都不一样
     */
    public MyBloomFilter() {
        // 初始化多个不同的 Hash 函数
        for (int i = 0; i < SEEDS.length; i++) {
            myHashes[i] = new MyHash(DEFAULT_SIZE, SEEDS[i]);
        }
    }

    /**
     * 添加元素到位数组
     */
    public void add(Object value) {
        for (MyHash myHash : myHashes) {
            bits.set(myHash.hash(value), true);
        }
    }

    /**
     * 判断指定元素是否存在于位数组
     */
    public boolean contains(Object value) {
        boolean result = true;
        for (MyHash myHash : myHashes) {
            result = result && bits.get(myHash.hash(value));
        }
        return result;
    }

    /**
     * 自定义 Hash 函数
     */
    private class MyHash {
        private int cap;
        private int seed;

        MyHash(int cap, int seed) {
            this.cap = cap;
            this.seed = seed;
        }

        /**
         * 计算 Hash 值
         */
        int hash(Object obj) {
            return (obj == null) ? 0 : Math.abs(seed * (cap - 1) & (obj.hashCode() ^ (obj.hashCode() >>> 16)));
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        String str = "好好学技术";
        MyBloomFilter myBloomFilter = new MyBloomFilter();
        System.out.println("str是否存在：" + myBloomFilter.contains(str));
        myBloomFilter.add(str);
        System.out.println("str是否存在：" + myBloomFilter.contains(str));
    }


}

Guava实现布隆过滤器

引入依赖

<dependency>
    <groupId>com.google.guava</groupId>
    <artifactId>guava</artifactId>
    <version>31.1-jre</version>
</dependency>

package com.fandf.test.redis;

import com.google.common.base.Charsets;
import com.google.common.hash.BloomFilter;
import com.google.common.hash.Funnels;

/**
 * @author fandongfeng
 */
public class GuavaBloomFilter {

    public static void main(String[] args) {
        BloomFilter<String> bloomFilter = BloomFilter.create(Funnels.stringFunnel(Charsets.UTF_8),100000,0.01);
        bloomFilter.put("好好学技术");
        System.out.println(bloomFilter.mightContain("不好好学技术"));
        System.out.println(bloomFilter.mightContain("好好学技术"));
    }
}

hutool实现布隆过滤器

引入依赖

<dependency>
    <groupId>cn.hutool</groupId>
    <artifactId>hutool-all</artifactId>
    <version>5.8.3</version>
</dependency>

package com.fandf.test.redis;

import cn.hutool.bloomfilter.BitMapBloomFilter;
import cn.hutool.bloomfilter.BloomFilterUtil;

/**
 * @author fandongfeng
 */
public class HutoolBloomFilter {
    public static void main(String[] args) {
        BitMapBloomFilter bloomFilter = BloomFilterUtil.createBitMap(1000);
        bloomFilter.add("好好学技术");
        System.out.println(bloomFilter.contains("不好好学技术"));
        System.out.println(bloomFilter.contains("好好学技术"));
    }

}

Redisson实现布隆过滤器

引入依赖

<dependency>
    <groupId>org.redisson</groupId>
    <artifactId>redisson</artifactId>
    <version>3.20.0</version>
</dependency>

package com.fandf.test.redis;
 
import org.redisson.Redisson;
import org.redisson.api.RBloomFilter;
import org.redisson.api.RedissonClient;
import org.redisson.config.Config;
 
/**
 * Redisson 实现布隆过滤器
 * @author fandongfeng
 */
public class RedissonBloomFilter {
 
    public static void main(String[] args) {
        Config config = new Config();
        config.useSingleServer().setAddress("redis://127.0.0.1:6379");
        //构造Redisson
        RedissonClient redisson = Redisson.create(config);
 
        RBloomFilter<String> bloomFilter = redisson.getBloomFilter("name");
        //初始化布隆过滤器：预计元素为100000000L,误差率为1%
        bloomFilter.tryInit(100000000L,0.01);
        bloomFilter.add("好好学技术");
 
        System.out.println(bloomFilter.contains("不好好学技术"));
        System.out.println(bloomFilter.contains("好好学技术"));
    }
}

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